[논문]소형 집진기용 접선식 및 축류식 사이클론 성능비교

이성원; 이청민; 윤정환

doi:10.5407/jksv.2018.16.2.045

소형 집진기용 접선식 및 축류식 사이클론 성능비교
Comparison of Tangential and Axial Flow Cyclones for Small Dust Collectors 원문보기

한국가시화정보학회지= Journal of the Korean society of visualization, v.16 no.2, 2018년, pp.45 - 52

이성원 (School of Mechanical Engineering, Daegu University) , 이청민 (School of Mechanical Engineering, Daegu University) , 윤정환 (School of Mechanical Engineering, Daegu University)

Abstract ▼ AI-Helper

The tangential and axial cyclones were fabricated using a 3D printer and the total collecting efficiency, cut-diameter, and pressure drop characteristics of the two types of cyclones with the same inlet area were investigated experimentally. The results show that the total collecting efficiency tends to increase as the inlet velocity increases. However, at a 20m/s condition of the tangential cyclone, the collected particles were re-entrained to the ascending vortex flow, resulting in a decrease of the total collecting efficiency. In the axial cyclone, the cross-sectional area is designed to increase at the inlet and the velocity is reduced, so that the re-entrainment effect does not appear in this study. The pressure loss of the tangential cyclone was larger than that of the axial cyclone. The cut-diameter tends to decrease with increasing the inlet velocity in two types of cyclones, except for the 20m/s condition of the tangential cyclone.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 건설현장에 설치할 수 있는 소형 집진장치의 제작을 위한 기본 연구의 일환으로 기본적인 접선식 사이클론과 축류식 사이클론을 3D프린터를 이용하여 제작하고 소요동력 및 입자 분리 효율을 실험적으로 비교하였다. 이를 통해 건설현장을 포함한 산업현장에서의 국부적인 비산입자 제거를 위한 소형 집진기 개발을 위한 기본 연구 자료를 축적하는 것을 연구 목적으로 한다.

가설 설정

- 본 연구에서 사용된 접선식 사이클론은 유입속도 20 m/s 조건에서는 15 m/s 조건에 비해 재비산 효과에 의해 집진효율이 낮아진다.

제안 방법

3D 프린팅된 사이클론의 표면이 매끄럽지 않으며, 이에 따른 마찰력의 증가로 인해 사이클론의 분리 성능을 떨어뜨릴 수 있다. 또한 정전기에 의해 미세입자가 벽면에 흡착되는 현상을 방지하기 위하여 사이클론 내부 벽면을 테프론 스프레이 처리 하였다.
본 연구는 건설현장에 설치할 수 있는 소형 집진장치의 제작을 위한 기본 연구의 일환으로 기본적인 접선식 사이클론과 축류식 사이클론을 3D프린터를 이용하여 제작하고 소요동력 및 입자 분리 효율을 실험적으로 비교하였다. 이를 통해 건설현장을 포함한 산업현장에서의 국부적인 비산입자 제거를 위한 소형 집진기 개발을 위한 기본 연구 자료를 축적하는 것을 연구 목적으로 한다.
축류식은 축방향으로 유입된 유동을 접선방향으로 유도하기 위한 유도날개(guide vane)의 세밀한 설계가 매우 중요하다. 본 연구에 사용된 축류식 사이클론은 입구 단면적을 포함한 외형을 가능한 접선형과 유사하게 유지하도록 설계하였으며, 8개의 유도날개를 적용하였다. 유도날개의 θ각은 하단에서 최대 90도가 되도록 선형적으로 증가시켰다(Fig.
5는 접선식 사이클론에서 측정된 유입속도 변화에 따른 집진입자 입도분포 변화결과이다. 비교를 위하여 실험 전 미리 측정한 입자의 최초 입도분포를 동시에 표시하였다. 입구유속 5m/s 조건에서는 분급된 입도분포는 8 ㎛ 근방에서 최대치를 갖지만 전반적인 분리효율을 낮게 나타났다.
97%를 거를 수 있는 H13 등급의 헤파필터를 설치하였다. 입구에서 입자를 균일하게 공급하기 위하여 진동을 이용한 입자 공급 장치 등이 추가로 필요하지만, 본 실험에서는 유동이 충분히 발달한 후, 입구에서 밸브를 이용하여 입자를 주입하였다. 실험과정은 다음과 같다.
254 mm이다. 접선형 사이클론은 Stairmand 표준모델을 기준으로 비율을 조정하여 설계하였으며, 유입구 단면은 조립성을 향상시키기 위하여 원형으로 변경하였다(Fig. 2). 축류식은 축방향으로 유입된 유동을 접선방향으로 유도하기 위한 유도날개(guide vane)의 세밀한 설계가 매우 중요하다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 접선식 및 축류식 사이클론은 FDM 방식의 3D 프린터(Strasys uPrint SE)를 이용하였다. 사용 소재는 ABS Plus이며, 최대 프린팅 크기는 203x152x130 mm, 해상도는 0.254 mm이다. 접선형 사이클론은 Stairmand 표준모델을 기준으로 비율을 조정하여 설계하였으며, 유입구 단면은 조립성을 향상시키기 위하여 원형으로 변경하였다(Fig.
5%, 유속의 측정정확도는 ±3%이다. 송풍기는 실험유량과 예상되는 압력강하를 고려하여 선정하였으며, 원활한 유량조절을 위하여 인버터로 쉽게 제어가 가능한 3상 모델을 선정하였다. 사용된 LG SV015iG5A-1 인버터는 송풍기의 회전속도를 0.
017~2,000 ㎛의 입자를 반복정확도 1% 이하로 측정할 수 있다. 입출구 압력차는 TESTO사의 512, 출구에서의 유속은 Reed사의 LM-81AM를 사용하였다. 압력차의 측정 정확도는 ±0.

이론/모형

본 연구에 사용된 접선식 및 축류식 사이클론은 FDM 방식의 3D 프린터(Strasys uPrint SE)를 이용하였다. 사용 소재는 ABS Plus이며, 최대 프린팅 크기는 203x152x130 mm, 해상도는 0.
사이클론 입출구에서의 입도분포는 Beckman Coulter사의 LS-13320를 사용하여 측정하였다. 본 장비는 PIDS(Polarization Intensity Differential Scattering) 기법과 레이저 산란법을 이용하여 0.017~2,000 ㎛의 입자를 반복정확도 1% 이하로 측정할 수 있다. 입출구 압력차는 TESTO사의 512, 출구에서의 유속은 Reed사의 LM-81AM를 사용하였다.
3~20 ㎛ 까지 입도분포를 가지고 있어 건설현장에서 비산되는 입자를 모사하는데 매우 적합하다. 사이클론 입출구에서의 입도분포는 Beckman Coulter사의 LS-13320를 사용하여 측정하였다. 본 장비는 PIDS(Polarization Intensity Differential Scattering) 기법과 레이저 산란법을 이용하여 0.

성능/효과

일반적으로 접선식이 집진효율은 높으나 압력손실이 크고 축류식은 그 반대라고 알려져 있다.^(1-3)압력손실은 집진기 가동 시 소모되는 소비전력과 직접 연관되기 때문에 접선식 사이클론이 소요동력과 입진효율 모두 큰 값을 가지는 것으로 결론내릴 수 있다. 반면 대부분의 산업현장에서는 제작이 쉽고 관련 이론과 실험식이 널리 보급되어 있는 접선식 사이클론이 주로 적용되고 있는 실정이다.
- 본 연구에서 사용된 축류식 사이클론은 입구유속이 20 m/s 조건까지 증가할수록 지속적으로 절단입경이 감소한다.
이러한 현상 또한 재비산현상에 기인한 것으로 보인다. 등급효율 측정 결과 본 실험에 사용된 접선식 사이클론에서는 입구유속 20 m/s 이상으로 운전할 경우 분리 효율이 매우 악화 되는 것을 의미한다.
입구유속 증가에 따라 전반적으로 전체분리효율이 증가하는 경향을 결과에서 알 수 있다. 모든 속도에서 전체분리효율은 접선식이 높게 나타났으며, 축류식이 유입속도에 따라 지속적으로 분리효율이 증가하는 결과에 비해 접선식에서는 최대 속도인 20 m/s 조건에서 다시 감소하는 결과를 나타낸다. 이는 접선식 사이클론에서 유속이 일정이상 증가함에 따라 집진된 입자가 상승선회류를 타고 출구로 다시 빠져나가는 재비산 효과의 증대 때문이다.
20 m/s로 입구유속을 증가시킬 경우 질량분포값이 계속 증가하였으며, 최대값은 13 ㎛근처에서 발생하였다. 이러한 결과에서 입구유속을 20 m/s까지 증가시킬 경우 축류형 사이클론의 분리효율은 지속적으로 상승하고, 분리된 입자 분포의 최대값을 갖는 입자직경은 반대로 지속적으로 감소하는 결과를 나타냈다.
입자분리효율이 전반적으로 우수한 접선식 사이클론에서 매우 큰 압력강하 결과를 보인다. 이에 비해 축류식 사이크론의 압력강하는 접선식의 약 45% 수준으로 전반적으로 낮은 분리효율을 갖지만 에너지 효율면에서는 오히려 접선식에 비해 유리한 것으로 나타났다. 거의 정형화되어 있는 접선식 사이클론에 비해 가이드베인의 설계에 따라 분리특성과 압력강하 특성을 자유롭게 설계할 수 있는 축류식의 특성상 개선의 여지가 많은 것으로 보인다.
입구유속 5 m/s 조건에서는 접선식과 유사하게 8 ㎛ 근방에서 최대치를 갖는다. 입구유속 10 m/s조건에서는 분리된 입자의 질량분포가 크게 증가하지는 않았으며, 입도분포 최대치가 33㎛근처에서 발생하였다. 입구유속 15 m/s 조건에서는 분리된 입자의 질량이 눈에 띄게 증가하며, 30 ㎛근처에서 입자분포의 최대값을 갖는다.
비교를 위하여 실험 전 미리 측정한 입자의 최초 입도분포를 동시에 표시하였다. 입구유속 5m/s 조건에서는 분급된 입도분포는 8 ㎛ 근방에서 최대치를 갖지만 전반적인 분리효율을 낮게 나타났다. 10 m/s조건에서는 분리되는 입자의 질량이 전반적으로 증가하였으며, 입도분포 최대치가 20 ㎛근처에서 발생하였다.
절단입경은 사이클론의 분리효율을 나타내는 대표적인 값으로 실제 실험을 이용하여 정확하게 측정하는 것이 쉽지 않은 값이다. 측정 결과 입구유속이 증가할수록 접선식 사이클론은 절단입경이 감소하다가 유입속도 15 m/s 이후에는 재비산 효과로 인해 다시 증가한다. 반면 축류식은 입구유속의 증가에 따라 지속적으로 20 m/s조건까지 절단입경이 감소한다.

후속연구

거의 정형화되어 있는 접선식 사이클론에 비해 가이드베인의 설계에 따라 분리특성과 압력강하 특성을 자유롭게 설계할 수 있는 축류식의 특성상 개선의 여지가 많은 것으로 보인다. 특히 15 m/s에서 분리효율의 최대 특성을 갖는 접선식에 비해 20 m/s까지 증가 특성을 보인 축류식의 분리효율 특성을 고려하면 고효율 고유량 사이클론 분리기의 설계가 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	사이클론의 집진원리에 따른 내부유동의 변화는?	사이클론 내부유동은 접선식 및 축류식 모두 유사한 특징을 가진다. 일정 유속으로 사이클론 유입구로 유입된 작동유체는 원통 내부에서 외부 선회류를 형성하면서 나선형으로 하강한다. 작동유체와 같이 유입된 입자들은 원심력에 의해 벽 쪽으로 이동하며, 이동하는 동안 충돌로 인한 입자의 응집 등의 현상이 동반되며, 벽에 충돌한 입자들은 운동에너지를 잃고 내벽면을 따라서 중력에 의해 바닥 쪽으로 진행하여 분진함에 집진 된다. 작동유체와 같이 유입된 작은 입자들과 분진함에 집진된 입자들 중의 일부는 사이클론 내부에 형성되는 상향 선회류에 의해서 상승한다.
	사이클론을 이용한 비산입자 제거 방법은 무엇인가?	건설현장에서 주로 발생하는 모래나 시멘트 가루 등의 비산먼지는 입자의 크기가 수 마이크론 단위이기 때문에 건설 현장 작업자 및 주변에 미치는 영향을 최소화 하는 방향으로 노력을 기울일 필요가 있다. 건설현장에서 발생하는 비산먼지를 효율적으로 제거하는 방법이 많이 있지만 일정 크기 이상의 입자를 효율적이고 경제적으로 제거할 수 있는 방법은 사이클론을 이용한 비산입자 제거 방법이다. 사이클론은 유입구의 위치를 기준으로 배출구와 수직인 접선식(tangential)과 수평인 축류식(axial)으로 구별할 수 있다(Fig.
	사이클론의 종류는?	건설현장에서 발생하는 비산먼지를 효율적으로 제거하는 방법이 많이 있지만 일정 크기 이상의 입자를 효율적이고 경제적으로 제거할 수 있는 방법은 사이클론을 이용한 비산입자 제거 방법이다. 사이클론은 유입구의 위치를 기준으로 배출구와 수직인 접선식(tangential)과 수평인 축류식(axial)으로 구별할 수 있다(Fig. 1).

참고문헌 (8)

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상세보기
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Cooper, C. D. and Alley, F. C., 2011, Air Pollution Control: A Design Approach, Waveland Press, Long Grove, pp. 135-159.
Lee, C. and Lee, C., 2011, "Comparisons of Dust Collection Efficiency on the Tangental Entry and Axial-vane Type Cyclone," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 10, No. 6, pp. 115-121.
Lee, C. and Lee. C., 2012, "A Numerical Analysis on Prediction of Cut-diameter according to Vane Outflow Angle in the Axial-flow Cyclone," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 11, No. 4, pp. 111-117.
http://www.heumannenviro.com
Ogawa, A., 1984, "Re-entrainment of Dusts from the Dust Layer on the Deposited Dusts in the Cyclone Dust Collectors," Particulate Science and technology, Vol. 2, No. 4, pp. 305-314.

상세보기
Zuo, Z. and Chen, Q., 2015, "The Structure Optimization Design of Anti Re-entrainment Cone in Cyclone Separator," International Conference on Industrial Electronics and Applications, pp. 491-494.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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